STEAM R&E 연구결과보고서
(바이러스 및 유해세균 살균 차단용 레이저 커튼에 대한 연구)
2016. 11. 30.
수지고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 바이러스 및 유해세균 살균 차단용 레이저 커튼에 대한 연구
연구목표
○ 레이저 모듈과 광학시스템 설계 및 제작 등의 연구 활동을 통하여 공기 중 인체·환경에 유해 바이러스 및 미생물을 차단·제거할 수 있는 방법을 연구함
- 바이러스 및 유해 미생물 종류에 따른 최적의 살균 레이저 광원 연구 - 살균 레이저 모듈 제작
- 커튼 형식의 레이저빔 형상을 위한 광학시스템 설계 및 제작 - 살균용 레이저 커튼 제작 및 활용방안 연구
연구내용
○ 레이저 광원을 이용한 바이러스 차단 기술 탐구(국내․해외)
○ 레이저 커튼 모듈 광학계 설계 및 제작기술 연구 - 고효율 레이저 광을 위한 광학렌즈 설계 및 제작 - 균일한 커튼 모듈 위한 Laser Beam Shaping 설계
○ 레이저 커튼 모듈 시스템 연구
- 레이저 커튼 모듈에 가장 적합한 레이저 물질 연구 - 레이저 커튼 모듈에 가장 적합한 레이저 구조 연구
○ 레이저 커튼 시스템의 차단 장치 적용 가능성 및 활용방안 연구 - 레이저 커튼 모듈을 활용한 다른 분야에 대한 아이디어 도출
연구성과
○ 학생들이 본 프로그램에 참여함으로써 다음과 같은 교육적 성과를 거둠 - 자기 주도 학습능력과 창의·융합적 사고력의 향상으로 인해 문제해결력
향상
- 미래 과학자로서의 품성 및 자질 함양, 과학적 탐구능력 향상 - 장기간의 연구체험 교육인 R&E 프로그램을 통하여 동료들과의 협력
필요성, 과학자의 생활과 자세에 대한 이해, 과학에 대한 흥미 등의 향상
- 연구책임자의 체계적인 연구 지도를 통한 과학적인 접근 방법 및 과학적 사고력, 분석력 등을 습득
- 문제 해결을 위한 학생의 자발적 참여로 인한 창의적 사고 능력 습득
○ 미래 산업의 후방 핵심부품인 “레이저”에 대한 교육을 통하여 미래 산업 및 기술에 대한 과학적 역량 향상
○ 미래 산업혁명이라 불리는 헬스케어 및 바이오산업에 대한 자발적 관심 고취
○ 첨단 기술의 활용 및 응용실습을 통한 기술의 융복합 능력 경험 및 습득 주요어
(Key words) 레이저, 커튼, Beam Shaper, 바이러스, 차단 장치
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 현대인들의 실내 활동량이 높아짐에 따라 실내 공기감염으로 인한 감염성 질병을 차단 하고자 이 연구를 착수하였다.
○ 최근 MERS, SARS등의 호흡기 바이러스 증가하였고 최근에는 국내 MERS 환자 수가 세계 최고의 수준에 도달하기도 하였다.
○ 레이저를 이용한 바이러스 및 박테리아를 제거 또는 차단한다면 감염성 질병이 퍼지는 것을 막을 수 있을 것이라고 기대된다.
□ 연구범위
○ 빛의 파장 중 살균효과가 있는 영역대를 탐구하고 그 영역에 대한 레이저를 연구한다.
○ 레이저 커튼을 만드는 방법은 고안한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
1. 레이저 (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) ◦ 유도방출을 이용한 광 발진에 의한 광 복사(Light Radiation)
- 이득매질의 에너지 준위 간에서 여기에 의해 밀도분포가 반전됨으로써 생길 수 있게 되는 유도 방출을 이용
2. 레이저의 특징 (1) 직진성 (directionality)
- 레이저는 좁고 긴 관을 수 만 번 왕복한 빛이기 때문에 멀리까지 갈 수 있는 상태로 아주 잘 빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다.
(2) 단색성 (monochromaticity)
- 양쪽 거울 속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므로 거의 단일한 파장을 갖 는 순수한 빛을 방출하게 된다.
(3) 간섭성 (coherent)
- 많은 북을 일정한 장단에 맞추어서 치는 것처럼 많은 파동이 서로 정확하게 잘 겹쳐 져서 매우 강력한 밝기를 가지고 있다.
3. 레이저의 기본구성
(1) 레이저 매질/증폭매질/이득매질/활성매질 (Gain Medium) : 매질 - 밀도반전(Population Inversion)이 가능한 물질
(2) 펌핑매체 (Pumping Source) : 외부 에너지원
- 펌핑이란 밀도반전을 형성하기 위해 외부에서 매질에 열에너지가 아닌 다른 형태의 에너지를 공급하여 높은 에너지 준위를 갖는 원자나 분자들의 밀도를 높이는 과정 (3) 광 공진기 (Optical Cavity Resonator) : 광학적 공동
- 보통 원통형 증폭매질 양끝에 마주보게 설치된 반사경에 의한 공동(Cavity)
그림 1. 초기 루비레이저 기본 구성
4. 레이저의 원리
(1) 자발방출 (Spontaneous Emission)
그림 2. 자연방출
◦ 전자가 들뜬 에너지 준위에 잠시 머무르다가 외부 도움 없이 원래의 낮은 준위로 돌 아가며 광자를 방출
(2) 유도방출 (Spontaneous Emission)
그림 3. 유도방출
◦ 외부 광자에 의한 상호작용에 의해 높은 에너지 준위에 있는 전자를 낮은 준위로 끌 어내리는 천이를 통해 광자를 방출하는 현상
(3) 펌핑 (Pumping)
◦ 들뜬 상태의 높은 에너지 준위를 가진 원자/분자들의 농도(밀도)를 높이는 과정 - 레이저 유도방출의 기본요건인 밀도반전(Population Inversion)을 형성하기 위하며,
여기(Excited) 또는 흡수(Absorption) 과정이라고도 함
◦ 외부에서 레이저 매질에 열 에너지가 아닌 다른 형태의 에너지로써 전기적/광학적으 로 에너지를 공급하는 것
(4) 밀도 반전 (Population Inversion)
◦ 레이저에서 유도방출로 빛을 증폭하기 위한 전제조건
- 높은 에너지 준위에 있는 들뜬(Excited) 원자의 수가 낮은 에너지 준위(Ground)에 있 는 원자의 수보다 많은 현상
□ 연구주제의 선정
○ 레이저를 이용한 유해물질 차단 시스템 고안 - 살균이 가능한 빛의 영역대를 조사
: 참고 문헌 및 인터넷 조사를 통하여 빛의 영역대에 따른 성질을 주도적으로 공부 - 레이저 커튼을 만드는 방법을 고안
: 아이디어 회의를 통해 레이저 커튼을 만드는 방법을 고민하고 컴퓨터 프로그램 시뮬레 이션을 이용한 설계도 작성
- 실제로 이러한 방법이 효과가 있는지에 대한 전문가 자문을 구함
: 설계한 도면이 실제로 가능한지 생각지 못한 오류는 없는지에 대해 전문가에게 자문을 구함.
□ 연구 방법
○ 컴퓨터 프로그램을 이용한 설계도 작성
그림 4. 광학렌즈/Beam Shaper 설계
그림 5. 레이저 커튼 설계
그림 6. 레이저 커튼 구상도
○ 필요 물품을 구매하여 실제 제작 진행
그림 7. 레이저 라인 구현
□ 연구 활동 및 과정 ○ 가설 설정
그림 8. 레이저 커튼을 이용한 바이러스 차단장치 연구내용 모식도
○ 실험 설계
그림 9. 광학 기초 시뮬레이션 설계
그림 10. 레이저모듈 제작 및 발진 실험
○ 실험 과정
빛의 파장대 조사 – 시뮬레이션을 통한 설계도면 그리기 – 필요 물품 구매 후 실험 set-up – 실험 진행 및 피드백을 통한 시뮬레이션
○ 시행착오
그림 11. 향을 통해 확인한 레이저 커튼 그림 12. 액체질소 통해 확인한 레이저 커튼
- 향을 통하여 레이저 커튼을 확인하려 했으나 부분적으로 레이저 커튼을 확인할 수 있었으나 정확한 모습을 보기 어려움이 있었다. 이를 보완하여 향을 액체질소로 대체하여 실험하여 보다 확실히 눈에 띄는 레이저 커튼을 볼 수 있었다.
그림 13, 14. 전자부품연구원(KETI)에서의 모형제작
□ 시설 및 기기 활용
시설/기기 명 보유기관 활용 내용
RGB 반도체 레이저 전자부품연구원 실질적으로 가능한 레이저 활용 레이저 측정 시스템 전자부품연구원 레이저의 정도와 강도 측정
simulation tool 전자부품연구원 레이저 공진기 설계, 광학기기 설계
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 빛(레이저)을 이용한 바이러스 차단 및 살균에 용이하다는 것을 확인 할 수 있었다.
○ 레이저를 커튼형태로 만들어 바이러스 및 균이 차단한다.
○ 모형을 제작함으로써 현실적으로 가능한지 확인할 수 있었다.
□ 시사점
○ 미래기술에 대한 기초지식 및 과학적 관심 고취
○ 실험 및 연구의 직접 참여함으로써 미래 과학자로서의 과학적 역량 향상 ○ 체계적인 연구과정을 통한 문제 해결 능력의 논리력 향상
4. 홍보 및 사후 활용
□ 병실의 환풍구
- 공기 감염을 통한 병원균 감염 차단을 위한 환풍구 살균
□ 신생아실
- 외부에서 신생아 면회시 유입될 수 있는 바이러스 및 균 차단
□ 칫솔 보관
- 오염되기 쉬운 칫솔을 보관하는 케이스를 이용하여 살균
□ 그 외 홍보 활동
- 연구 활동에 대한 대외발표(국내 학회, 추후 보완 후 국제학회) - 연구 성과를 바탕으로 idea 도출(Know-How) 및 특허출원
5. 참고문헌
○ 한국공기 청정협회, 2013, “공기오염 예방기술 (I) - 건물 실내 공간에서 공기감염 유발 바이러스 저감기술”
○ 한국공기 청정협회, 2013, “공기오염 예방기술 (I) - 공기감염 바이러스의 감염 특성 및 국내 현황”
○ 환경부, 2009, “실내공기 질 관리 기본계획(2009~2013)”
